JP2016215146A - Gas-liquid separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体(水等)と気体(空気、ガス等)とを含む混合流体から液体と気体とを分離する気液分離装置に関するものである。 The present invention relates to a gas-liquid separator that separates liquid and gas from a mixed fluid containing liquid (water, etc.) and gas (air, gas, etc.).
例えば、内燃機関からの排気を浄化するシステム(装置)の一つとして、EGR(Exhaust Gas Recirculation:排気再循環)システムが知られている。EGRシステムにおいては、燃焼室内に還流させるEGRガスを冷却することにより、燃焼温度を低下させることができ、これによりNOx(窒素酸化物)の排出量を低減することができる。EGRガスを冷却すると、EGRガス中に含まれる水分が凝縮してEGR流路内に凝縮水が発生する。外気温度が0℃以下となるような環境下では凝縮水がより発生し易くなる。 For example, an EGR (Exhaust Gas Recirculation) system is known as one of systems (devices) for purifying exhaust gas from an internal combustion engine. In the EGR system, by cooling the EGR gas that is recirculated into the combustion chamber, the combustion temperature can be lowered, thereby reducing the amount of NOx (nitrogen oxide) emissions. When the EGR gas is cooled, moisture contained in the EGR gas is condensed and condensed water is generated in the EGR flow path. In an environment where the outside air temperature is 0 ° C. or less, condensed water is more likely to be generated.
EGRガスは燃料中の硫黄分を含むためEGR流路内の凝縮水には硫酸が含まれる。この硫酸を含む凝縮水がEGR流路や内燃機関の燃焼室等の内部に付着・滞留すると、内燃機関の各部(EGR流路やEGRバルブ、吸気流路や燃焼室等)に腐食や損傷等を引き起こすことが考えられる。又、内燃機関の燃焼室が多量の凝縮水を吸い込んでしまうことで、いわゆる水撃(ウォーターハンマー)による内燃機関の破損等を招くことも考えられる。 Since EGR gas contains sulfur in the fuel, the condensed water in the EGR flow path contains sulfuric acid. If this condensed water containing sulfuric acid adheres to or stays in the EGR flow path or the combustion chamber of the internal combustion engine, etc., each part of the internal combustion engine (EGR flow path, EGR valve, intake flow path, combustion chamber, etc.) is corroded or damaged, etc. It is thought to cause. It is also conceivable that the combustion chamber of the internal combustion engine sucks in a large amount of condensed water, thereby causing damage to the internal combustion engine due to a so-called water hammer.
そこで、EGRガスから凝縮水を除くために気液分離装置(あるいは気水分離装置)や吸水材(フィルター)等が用いられる。気液分離装置としては、例えばサイクロン式気液分離装置が知られている。このサイクロン式気液分離装置は、液体を含んだ気体を分離筒内に接線方向に導入し、この分離筒内で旋回流を形成することによって液体と気体を分離する方式となしたもので、分離された液体を分離筒下部より排出し、気体のみを分離筒上部より取出す構造となったものが一般的である。又、分離筒からの分離液の排出を促進して分離性能を高めるために分離筒内に分離液の旋回を抑制するための障壁を設けたものも提案されている(特許文献1参照)。さらに、EGRガス流れ下流側のEGRガス流路の内壁に設けられた凹凸部によりEGRガスから生じた凝縮水を捕集する凝縮水捕集部を備え、該凝縮水捕集部により捕集した凝縮水を貯留部に収容して貯留するEGR装置も提案されている(特許文献2参照)。吸水材やフィルター等を採用したものとしては、例えば、排気管の内壁面から排気ガス流路内に突出する異物捕集フィルタに吸水材を設けた排気還流装置(特許文献3参照)等が知られている。 Therefore, a gas-liquid separator (or a gas-water separator), a water absorbing material (filter), or the like is used to remove condensed water from the EGR gas. As the gas-liquid separator, for example, a cyclone type gas-liquid separator is known. This cyclone type gas-liquid separator is a system that separates liquid and gas by introducing a gas containing liquid in a tangential direction into the separation cylinder, and forming a swirl flow in the separation cylinder. In general, the separated liquid is discharged from the lower part of the separation cylinder and only the gas is taken out from the upper part of the separation cylinder. In addition, there has also been proposed a barrier provided in the separation cylinder for suppressing the rotation of the separation liquid in order to enhance the separation performance by promoting the discharge of the separation liquid from the separation cylinder (see Patent Document 1). Furthermore, the condensate collecting part which collects the condensate produced from EGR gas by the uneven | corrugated | grooved part provided in the inner wall of the EGR gas flow path of the EGR gas flow downstream is provided, and it collected by this condensate collection part An EGR device that stores and stores condensed water in a storage section has also been proposed (see Patent Document 2). For example, an exhaust gas recirculation device (see Patent Document 3) in which a water absorbing material is provided on a foreign matter collecting filter that protrudes from the inner wall surface of the exhaust pipe into the exhaust gas flow path is known as a device that employs a water absorbing material or a filter. It has been.
しかしながら、前記した従来の気液分離手段には、以下に記載する欠点がある。
即ち、液体を含んだ気体を分離筒内に接線方向に導入し、この分離筒内で旋回流を形成することによって液体と気体を分離する方式のサイクロン式気液分離装置や、EGRガス流路に凝縮水捕集部を内蔵して気液分離する装置の場合は、水分の捕集作用が限定的であり、流速10〜100m/sのような広範囲のガス流速に対応できない。さらに、車両のエンジンルーム内は空きスペースが少なく、サイクロン方式のような比較的大型の気液分離装置の設置は難しい。又、排気還流装置の場合は、分離容器内にフィルターや吸水材等の分離部材を配置するため通気抵抗が高い上、風量が多く流速が速い領域においても通気抵抗が高まることにより、内燃機関に対して負荷がかかることになり燃費悪化をもたらす。
However, the conventional gas-liquid separation means described above has the following drawbacks.
That is, a cyclone type gas-liquid separation device or an EGR gas flow path that separates liquid and gas by introducing gas containing liquid into the separation cylinder in a tangential direction and forming a swirl flow in the separation cylinder In the case of an apparatus for gas-liquid separation with a built-in condensed water collecting part, the moisture collecting action is limited, and it cannot cope with a wide range of gas flow rates such as a flow rate of 10 to 100 m / s. Furthermore, there is little empty space in the vehicle engine room, and it is difficult to install a relatively large gas-liquid separator such as a cyclone system. Further, in the case of an exhaust gas recirculation device, a separation member such as a filter or a water absorbing material is disposed in the separation container, so that the ventilation resistance is high and the ventilation resistance is increased even in a region where there is a large amount of air and a high flow velocity. On the other hand, a load is applied, resulting in deterioration of fuel consumption.
本発明は、前記した従来の気液分離手段の有する欠点を解消するためになされたもので、フィルターや吸水材等の分離部材を無くし通気抵抗の低減をはかることにより、流速10〜100m/sのような広範囲のガス流速にも対応でき、かつ車両のエンジンルーム等の狭い場所にも設置可能な小型で捕集効率の高い気液分離装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in order to eliminate the disadvantages of the conventional gas-liquid separation means described above. By eliminating the separation member such as a filter and a water-absorbing material and reducing the air flow resistance, the flow rate is 10 to 100 m / s. Thus, the present invention is intended to provide a gas-liquid separation device that can cope with a wide range of gas flow rates as described above and can be installed in a narrow place such as an engine room of a vehicle and has high collection efficiency.
本発明に係る気液分離装置は、液体と気体の混合流体(以下、説明の便宜上「気液混合流体」と称する)を分離容器内に接線方向に導入し、該分離容器内で旋回流を形成することによって前記液体と気体を分離する方式の気液分離装置であって、前記分離容器内が渦巻状の流路となすとともに該渦巻状流路の内壁面を前記気液混合流体の接触壁面となし、前記分離容器の上面側には前記渦巻状流路の中心部に開口部を突出する気体出口管が接続され、前記分離容器の下面側には前記渦巻状流路内で分離した液滴を集める傾斜底面部を有し、該傾斜底面部に連なる集液部に液体出口管(排液管)を介して液体回収タンクが接続された構成となしたことを特徴とするものである。 The gas-liquid separation device according to the present invention introduces a liquid-gas mixed fluid (hereinafter referred to as “gas-liquid mixed fluid” for convenience of description) into the separation container in a tangential direction, and causes a swirl flow in the separation container. A gas-liquid separation device of a type that separates the liquid and gas by forming the inside of the separation container into a spiral channel and contacting the inner wall surface of the spiral channel with the gas-liquid mixed fluid A gas outlet pipe protruding from the central portion of the spiral flow path is connected to the upper surface side of the separation container on the upper surface side of the separation container, and the lower surface side of the separation container is separated in the spiral flow path It has an inclined bottom part for collecting droplets, and a liquid recovery tank is connected to a liquid collecting part connected to the inclined bottom part via a liquid outlet pipe (drainage pipe). is there.
又、本発明装置は、気液混合流体の接触壁面となす分離容器の渦巻状流路の内壁面を粗面とすることを好ましい態様とするものである。 In addition, the apparatus of the present invention preferably has a rough surface on the inner wall surface of the spiral flow path of the separation container that forms the contact wall surface of the gas-liquid mixed fluid.
本発明の気液分離装置は、気液分離容器内にフィルターや吸水材等の分離部材を無くして通気抵抗の低減をはかるとともに、気液混合流体を渦巻状流路の内壁面に接触させて気液分離させる方式として気液混合流体の壁面接触長さを増長させたことにより、気液混合流体は渦巻状流路の内壁面に接触しながら長い距離を流れることとなり、内壁面との摩擦による気液分離がより効果的に行われ、装置の小型化がはかられるのみならず、流速10〜100m/sのような広範囲のガス流速にも十分に対応でき、内燃機関の燃費改善にも多大な効果を奏する。又、分離容器の底部に液体出口管を介して液体回収タンクを設けることにより、回収された液滴の分離容器内への巻き上げが防止され、高流速域における液滴捕集率の低下を抑制できる。さらに、渦巻状流路の気液混合流体の接触壁面を粗面とすることにより、面衝突による液滴化を効率よく行うことができ、液滴の捕集効率を増加することが可能となる。 The gas-liquid separation device of the present invention eliminates a separation member such as a filter and a water absorbing material in the gas-liquid separation container so as to reduce the ventilation resistance, and makes the gas-liquid mixed fluid contact the inner wall surface of the spiral channel. By increasing the wall contact length of the gas-liquid mixed fluid as a method of gas-liquid separation, the gas-liquid mixed fluid flows over a long distance while contacting the inner wall surface of the spiral flow path, and friction with the inner wall surface Gas-liquid separation is more effectively performed, and not only miniaturization of the apparatus can be achieved, but also a wide range of gas flow rates such as a flow rate of 10 to 100 m / s can be sufficiently handled, thereby improving the fuel efficiency of the internal combustion engine. Also has a great effect. In addition, by providing a liquid recovery tank at the bottom of the separation vessel via a liquid outlet pipe, the collected droplets are prevented from being rolled up into the separation vessel, and the drop in the droplet collection rate at high flow rates is suppressed. it can. Furthermore, by making the contact wall surface of the gas-liquid mixed fluid in the spiral flow path rough, it is possible to efficiently form droplets by surface collision and increase the collection efficiency of the droplets. .
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1〜図6において、1、11は気液分離装置、2、12は気液分離容器、2−1、12−1は渦巻状流路、2−2は気液混合流体の接触壁面、12−2は気液混合流体の粗面の接触壁面、2−3、12−3は傾斜底面部、2−4、12−4は集液部、2−5、12−5は上蓋、3、13は気液混合流体入口管、3−1、13−1は端部開口部、4、14は気体出口管、5、15は液体出口管、6、16は液体回収タンク(貯水タンク等)、7、17は液体排出管である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 to 6, 1 and 11 are gas-liquid separation devices, 2 and 12 are gas-liquid separation containers, 2-1 and 12-1 are spiral channels, 2-2 is a contact wall surface of the gas-liquid mixed fluid, 12-2 is a rough contact surface of the gas-liquid mixed fluid, 2-3 and 12-3 are inclined bottom surfaces, 2-4 and 12-4 are liquid collecting portions, 2-5 and 12-5 are upper lids, 3 , 13 are gas-liquid mixed fluid inlet pipes, 3-1, 13-1 are end openings, 4, 14 are gas outlet pipes, 5, 15 are liquid outlet pipes, 6, 16 are liquid recovery tanks (water storage tanks, etc.) ), 7 and 17 are liquid discharge pipes.
図1〜図3に示す本発明に係る第1実施例の気液分離装置1は、渦巻状の壁面によって形成された渦巻状流路2−1を有する気液分離容器2、気液分離容器2の渦巻状流路2−1の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管3、気液分離容器2の上面部に上蓋2−5を貫通して垂直に接続された気体出口管4、気液分離容器2の底面部に接続された液体回収タンク6とから構成されている。気液分離容器2の渦巻状流路2−1は、気液混合流体入口管3から流入する気液混合流体が接触する内壁面(渦巻中心側の壁面)を気液混合流体の接触壁面2−2となすとともに、該渦巻状流路2−1の下方には最外周の接触壁面2−2の下端縁に連なるすり鉢状の傾斜底面部2−3が形成され、該傾斜底面部2−3のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部2−4に液体出口管5を介して液体回収タンク6が接続されている。
ここで、気液分離容器2を渦巻状流路2−1で構成したのは、例えばサイクロン式は最外周に位置する壁面に流体が接触するが、気液混合流体の流路を渦巻状にすることにより流体の接触壁面長さを増長させることとなり、接触壁面との摩擦により気液混合流体の気液分離がより効果的に行われる(水分が水滴や液滴化しやすくなる)という効果を得るためである。
なお、上蓋2−5は気液分離容器2の上面部にネジやボルト・ナット等で着脱可能に固着されている。
A gas-
Here, the gas-
The upper lid 2-5 is detachably fixed to the upper surface portion of the gas-
気液分離容器2の渦巻状流路2−1の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管3は、その端部開口部3−1が気液分離容器2の渦巻状流路2−1の最外周の流路入口に接続されている。一方、気体出口管4は、気液分離容器2の上面のほぼ中心部(渦巻状流路の終端部)に垂直にかつその下端開口部が気液分離容器2の内部に突出するように上蓋2−5を貫通して垂直に接続されている。なお、気体出口管4の気液分離容器2内の突出部4−1の突出長さ(突出代)としては、特に限定するものではないが5〜20mmが好ましい。即ち、突出長さが5mm未満では気体出口管4からの液滴吸引の抑制効果が小さく、他方、20mmを超えると排液管5側への液滴集液が抑制されてしまうためである。
The gas-liquid mixed
気液分離容器2の傾斜底面部2−3のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部2−4には、液体出口管5を介して液体回収タンク6が接続されている。
A liquid recovery tank 6 is connected to a cylindrical liquid collecting portion 2-4 provided at a substantially central portion of the inclined bottom surface portion 2-3 of the gas-
なお、気液分離容器2の中央部の接触壁面2−1の下端部と傾斜底面部2−3との間には図3に示すように適度な大きさの空間Sが設けられている。
A moderately sized space S is provided between the lower end of the contact wall surface 2-1 at the center of the gas-
図1〜図3に示す構成の気液分離装置において、気液混合流体入口管3より気液分離容器2内に流入した気液混合流体Mは、気液分離容器2の渦巻状流路2−1に沿って旋回しながら移動するが、その際、気液混合流体は渦巻状流路の内壁面に接触しながら長い距離を流れることとなり、内壁面との摩擦による気液分離が効果的に行われる。即ち、気液混合流体Mは渦巻状流路を流れる間に遠心力や慣性力が作用して接触壁面2−2に衝突あるいは接触することにより、効果的に気体Gと液滴Wとに分離される。気液混合流体M中の分離された液滴Wは接触壁面2−2に付着した後、自重と気流の力作用によって当該壁面を下降しながら他の液滴と結合して大きく成長して傾斜底面部2−3上に落下するとともに下方へ流下し、当該傾斜底面部2−3のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部2−4に液体となって集まる。集液部2−4に集液された液体は、液体出口管5を介して液体回収タンク6に回収される。このように気液混合流体Mから分離された液滴Wを気液分離容器2とは別設の液体回収タンク6に回収することにより、回収された液滴の気液分離容器2内への巻き上げが防止され、高流速域における液体捕集率の低下を抑制できる。液体回収タンク6に集められた液体は液体排出管7によって排出される。一方、気液混合流体M中の分離された気体Gは気液分離容器2の上面の気体出口管4より外部に流出する。なお、気体出口管4の気液分離容器2内の突出部4−1の突出長さを前記のように液滴吸引の抑制効果等を考慮して適正に設定することにより、液滴Wを吸引することなく分離された気体Gのみを効果的に取出すことができる。
1 to 3, the gas-liquid mixed fluid M that has flowed into the gas-
次に、図4〜図5に示す本発明に係る第2実施例の気液分離装置11は、前記図1〜図3に示す気液分離容器の接触壁面2−2を粗面の接触壁面12−2とした以外は、前記図1〜図3に示す構成の気液分離装置と同様の構成を有する。
即ち、その構造は前記図1〜図3に示す本発明の気液分離装置1と同様に、気液分離装置11は、渦巻状の壁面によって形成された渦巻状流路12−1を有する気液分離容器12、気液分離容器12の渦巻状流路12−1の最外周の流路に接線方向に接続された気液混合流体入口管13、気液分離容器12の上面部に上蓋12−5を貫通して垂直に接続された気体出口管14、気液分離容器12の底面部に接続された液体回収タンク16とから構成されている。気液分離容器12の渦巻状流路12−1は、気液混合流体入口管13から流入する気液混合流体が接触する内壁面(渦巻中心側の壁面)を気液混合流体の粗面の接触壁面12−2となすとともに、該渦巻状流路12−1の下方には最外周の粗面の接触壁面12−2の下端縁に連なるすり鉢状の傾斜底面部12−3が形成され、該傾斜底面部12−3のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部12−4に液体出口管15を介して液体回収タンク16が接続されている。12−5は上蓋、13−1は端部開口部、14−1は気体出口管14の気液分離容器12内の突出部である。
Next, the gas-
That is, the structure is similar to the gas-
上記第2実施例装置において、気液混合流体の接触壁面を粗面の接触壁面12−2としたのは、気液混合流体中の液滴粒子が接触壁面に付着し易いようにすることにより、気液分離装置における気液分離効率の向上、気液混合流体からの液滴捕集量の増加をはかるためである。ここで、粗面とは表面に液滴粒子が引っかかりやすく、気流の流れを妨げないような粗さである。例えば、気液混合流体中の液滴粒子の粒経が数μm〜数百μmの混合流体の場合は、接触壁面12−1の表面に凹部と凸部の差が数百μm〜5mm程度となる表面処理(凹凸形成)を施して液滴の捕集率を向上させることが望ましい。なお、この数値は気液混合流体の流速や液滴の種類(水滴、油滴等)、気液分離容器12の内部形状等によって変わるものであり、前記数値に限定されるものではない。又、粗面の接触壁面12−2は前記表面処理に代えて、表面に液滴を付着し易い材料を設けて形成してもよい。例えば、ステンレス等の金属繊維を網目状に織り込んだ織物や格子状の網体(メッシュ)を貼り付けてもよく、さらに耐熱性、耐食性等の条件が満たされれば、合成樹脂製、セラミック製等のものであってもよい。粗面の形態としては、例えば図6(a)に示す凹凸の格子状配列や、同(b)に示す凹凸の菱形状配列等がある。
In the apparatus of the second embodiment, the contact wall surface of the gas-liquid mixed fluid is a rough contact wall surface 12-2 by making it easy for the droplet particles in the gas-liquid mixed fluid to adhere to the contact wall surface. This is to improve the gas-liquid separation efficiency in the gas-liquid separator and increase the amount of droplets collected from the gas-liquid mixed fluid. Here, the rough surface is such a roughness that the droplet particles are easily caught on the surface and do not hinder the flow of the airflow. For example, when the particle size of the droplet particles in the gas-liquid mixed fluid is a mixed fluid of several μm to several hundred μm, the difference between the concave and convex portions on the surface of the contact wall surface 12-1 is about several hundred μm to 5 mm. It is desirable to improve the collection rate of the droplets by performing a surface treatment (irregularity formation). This numerical value varies depending on the flow velocity of the gas-liquid mixed fluid, the type of liquid droplet (water droplet, oil droplet, etc.), the internal shape of the gas-
図4〜図5に示す構成の気液分離装置11においても、前記図1〜図3に示す構成の気液分離装置1と同様に、気液混合流体入口管13より気液分離容器12内に流入した気液混合流体Mは、気液分離容器12の渦巻状流路12−1に沿って旋回しながら移動するが、その際、気液混合流体は渦巻状流路の粗面の内壁面即ち粗面の接触壁面12−2に接触しながら長い距離を流れることとなり、粗面の接触壁面12−2との摩擦による気液分離がより効果的に行われる。即ち、気液混合流体Mは渦巻状流路を流れる間に遠心力や慣性力が作用して接触壁面12−2に衝突あるいは接触することにより、効果的に気体Gと液滴Wとに分離されるが、粗面の接触壁面12−2の場合は、前記したように粗面の作用により気液混合流体Mからの液滴Wの分離がより促進される。気液混合流体M中の分離された液滴Wは接触壁面12−2に付着した後、自重と気流の力作用によって当該壁面を下降しながら他の液滴と結合して大きく成長して傾斜底面部12−3上に落下するとともに下方へ流下し、当該傾斜底面部12−3のほぼ中央部に設けられた円筒状の集液部12−4に液体となって集まる。集液部12−4に集液された液体は、液体出口管15を介して液体回収タンク16に回収される。
Also in the gas-
又、本実施例装置の場合も、気液混合流体Mから分離された液滴Wを気液分離容器12とは別設の液体回収タンク16に回収することにより、回収された液滴の気液分離容器12内への巻き上げが防止され、高流速域における液体捕集率の低下を抑制できることはいうまでもない。一方、気液混合流体M中の分離された気体Gは気液分離容器12の上面の気体出口管14より外部に流出するが、本実施例装置においても、気体出口管14の気液分離容器12内の突出部14−1の突出長さを前記のように液滴吸引の抑制効果等を考慮して適正に設定することにより、液滴Wを吸引することなく分離された気体Gのみを効果的に取出すことができることはいうまでもない。
Also in the case of the apparatus of the present embodiment, the droplet W separated from the gas-liquid mixed fluid M is collected in the
1、11 気液分離装置
2、12 気液分離容器
2−1、12−1 渦巻状流路
2−2 気液混合流体の接触壁面
12−2 気液混合流体の粗面の接触壁面
2−3、12−3 傾斜底面部
2−4、12−4 集液部
2−5、12−5 上蓋
3、13 気液混合流体入口管
3−1、13−1 端部開口部
4、14 気体出口管
4−1、14−1 突出部
5、15 液体出口管
6、16 液体回収タンク
7、17 液体排出管
M 気液混合流体
W 液滴
G 気体
S 空間
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